2021年 第7期    刊出日期:2021-07-28
上一期   
基础研究
连续纤维增强复合材料增材制造张力双向调控方法研究
刘晓军, 单忠德, 王绍宗, 战丽, 邹爱玲, 刘晓行
2021, 0(7):  5-10.  DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210728.001
摘要 ( 5 )   PDF (2583KB) ( 1 )  
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针对连续纤维增强复合材料在增材制造过程中存在的无张紧力或张紧力只能单向调节的问题,提出连续纤维增材制造张紧力双向调控方法。搭建了以西门子1200-1217 PLC控制器为核心,以伺服电机为执行元件,以张力传感器为检测元件的连续纤维增材制造张力双向PID闭环调控试验平台。连续纤维增材制造打印喷头的无规则运动由步进电机带动纤维辊正反运动等效模拟。通过PID参数的自动调整及手动整定,得到可使张力稳定控制在一定范围内的PID参数。在无重力稳定模块情况下,研究了张力控制系统在不同收线速度、不同设置张力值下的控制精度,以及收线辊在正向加速、反向加速、正反向混合变速情况下系统的控制能力,增设重力稳定模块后,研究了其在收线速度发生正反向瞬间切换时对张力的稳定作用。研究结果表明系统的控制精度最高可达到±0.22 N,且在收线辊以一定速度正、反向瞬间切换时具有快速调节功能。增设重力稳定装置可减小因速度瞬时变化过大引起的张力突变,对张力控制系统具有稳定作用。
GFRP支撑结构扣件节点转动刚度研究
钱清锋, 邓安仲, 李飞, 罗盛, 高训鹏, 施霖
2021, 0(7):  11-16.  DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210427.001
摘要 ( 7 )   PDF (3437KB) ( 2 )  
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玻璃纤维增强塑料(简称“GFRP”)支撑结构节点转动刚度是研究GFRP支撑结构稳定性的重要参数,但目前尚未展开研究。本文首先通过试验对不同拧紧力矩下GFRP支撑结构扣件节点转动刚度进行研究,建立了弯矩-转角曲线,得到了不同拧紧力矩下的节点转动刚度;然后建立有限元模型对拧紧力矩如何影响扣件节点转动刚度进行机理分析;最后得到了不同拧紧力矩对节点转动刚度的影响机理。研究表明:GFRP圆管扣件连接节点属于半刚性节点,增大节点的拧紧力矩,节点的转动刚度随着拧紧力矩的增大而增大。本文得到的GFRP扣件节点转动刚度可以为GFRP扣件式支撑结构整体稳定承载力的研究与计算提供理论依据。
碳纤维复合材料低温下螺栓连接疲劳研究
李桦, 郑晖, 王共冬, 刘月, 要淞洋
2021, 0(7):  17-21.  DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210728.003
摘要 ( 8 )   PDF (5289KB) ( 1 )  
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本文主要围绕碳纤维复合材料(CFRP)与2024Al的连接件,研究低温环境下螺栓连接的拉-拉疲劳问题。首先进行不同环境下的拉伸实验,从中获得最大静力载荷,并通过静载破坏曲线探究不同温度下异质材料连接层合板接头的损伤过程,通过观察不同温度下的拉伸破坏现象,对比复合材料层合板纤维分层与撕裂程度,以此为依据研究低温环境对异质材料螺栓连接疲劳的影响,选用不同温度分组的层合板接头分别在各自85%、80%、75%的最大静载条件下进行常温与低温疲劳实验,实验结果拟合常温与低温下的S-N曲线。结果表明,在其他实验条件相同时,低温环境下层合板接头拉伸破坏强度相比于常温环境增强。分析疲劳曲线得出低温环境下层合板接头受疲劳载荷能力更强。
复合材料T型加筋壁板后屈曲承载能力研究
崔勇江, 王斌团, 赵占文
2021, 0(7):  22-27.  DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210728.004
摘要 ( 3 )   PDF (2779KB) ( 0 )  
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为了研究飞机复合材料T型加筋壁板结构在轴压载荷下的承载能力,对复合材料T型加筋壁板进行了轴压试验,并使用工程算法和有限元法仿真进行了分析,得到了加筋板的屈曲载荷及破坏载荷、载荷-位移曲线及损伤演化过程。对比两种分析方法与试验结果可以得到:当复合材料加筋壁板屈曲后,还有较强的后屈曲承载能力;相对于有限元分析方法,工程算法误差更大;准静态法可以有效地模拟出加筋板的屈曲及后屈曲行为,但是计算代价相对较大。
碳纤维增强复合材料层压板的热膨胀系数测量及理论计算方法
邱雪琼, 陈琳
2021, 0(7):  28-32.  DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210728.005
摘要 ( 4 )   PDF (1398KB) ( 2 )  
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随着复合材料在飞机结构中的应用增加,复合材料与金属混杂结构中复合材料与金属材料的热膨胀系数不匹配带来的热应力问题越来越不容忽视。为了分析结构中的热应力,材料的热膨胀系数必不可少,而复合材料热膨胀系数的各向异性、铺层依赖性以及纤维方向的低热膨胀率给其热膨胀系数的测量及层压板的热膨胀系数计算带来不便。依据ASTM E831标准和ASTM E289标准,分别采用热机械分析和剪切散斑干涉两种方法,测量了不同铺层T800级碳纤维增强复合材料层压板的热膨胀系数。研究了各种铺层层压板的热膨胀系数规律,给出了复合材料层压板面内热膨胀系数的理论计算公式。此研究结果有利于飞机结构设计阶段有限元分析中复合材料层压板热膨胀系数的快速计算。
复合材料透波罩头部电性能优化设计
宋晓洁, 张利嵩
2021, 0(7):  33-38.  DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210728.006
摘要 ( 2 )   PDF (2019KB) ( 1 )  
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透波罩是导弹等飞行器的重要组成部分,其电性能好坏直接影响导弹的制导精度和作用距离。本文针对球锥这一典型外形的透波罩,对球头区域进行仿真优化设计。建立球锥透波罩几何模型,确定关键尺寸参数,并根据复合材料的相关电性能参数和入射角分布情况,对透波罩进行初始半波壁壁厚设计;基于FEKO仿真平台,采用矩量法(MOM)结合多层快速多级子(MLFMM)算法对模型进行仿真计算,获得透波罩在俯仰向不同扫描角状态下的透波率随端头厚度的变化规律;基于电性能变化规律,对球锥透波罩头部进行优化设计。分析球头电性能的变化规律,为后续透波罩头部设计提出了优化方向,提供了技术支撑,对透波罩的设计具有一定的借鉴与指导意义。
应用研究
超薄碳纤维复合材料结构电池制备及其性能评价
杨向涛, 王朝阳, 张金纳, 朱世杰, 郭海伟, 吴海宏, 仝立勇
2021, 0(7):  39-47.  DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210728.007
摘要 ( 2 )   PDF (3253KB) ( 1 )  
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智能系统、无人驾驶等现代交通的不断发展,对传统电池的轻量化、安全性、有效负载和循环寿命都提出了新的挑战。本文利用活性炭、介孔碳以及将两者按50%比例混合制备了三种不同的碳材料电极片,对其进行了微观形貌和电化学性能对比分析。选取性能最优的电极片与超薄碳纤维预浸料集成制备了结构电池,并采用万能试验机对其进行了拉伸、压缩、弯曲测试。实验结果表明:活性炭和介孔碳混杂制成的电极片具有更有利于离子迁移的表面形貌,用其制成的结构电池具有良好的充放电特性。在受载条件下,拉伸测试单位质量载荷小于240 kN/kg时,比电容和能量密度数据波动在15%以下;压缩测试单位质量载荷达到58 kN/kg时,比电容和能量密度提高了39.5%;弯曲测试单位质量载荷为16 kN/kg时,比电容和能量密度提高了12%。超薄碳纤维复合材料结构电池作为一种储能复合材料,在提高结构电池性能和系统轻量化方面具有巨大潜力。
不等极孔纤维缠绕线型轨迹及工艺研究
祖磊, 肖康, 张骞, 张桂明, 吴乔国, 李德宝
2021, 0(7):  48-54.  DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210728.008
摘要 ( 3 )   PDF (5757KB) ( 1 )  
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本文针对不等极孔纤维缠绕容器进行均匀布满线型轨迹设计及工艺研究,首先通过优化滑移系数使其左右封头的缠绕角在筒身处平滑连续过渡,研究了为实现均匀布满时中心转角所满足的必要条件,运用连分数原理实现了线型切点数的计算,利用优化算法求解了同时满足稳定缠绕和均匀布满的左右两端的滑移系数,基于等轮廓约束条件分析了四轴缠绕机的运动轨迹方程并转换成相应格式的机器代码用于实际缠绕,实验结果表明:纤维在不等极孔芯模表面实现了稳定缠绕,缠绕一定的循环圈数后实现了均匀布满,缠绕效果与仿真一致,从而验证了设计参数和优化算法的可行性。
子弹斜侵彻阻尼复合装甲的数值模拟
王得盼, 梁森, 周越松, 刘龙
2021, 0(7):  55-62.  DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210728.009
摘要 ( 2 )   PDF (2134KB) ( 1 )  
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为了研究复合材料阻尼结构的抗冲击性能,利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件模拟了12.7 mm的穿甲燃烧弹弹芯侵彻氧化铝/阻尼层/超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合装甲的过程,分别计算了钨合金弹芯以不同角度及不同速度侵彻靶板时的吸收能量情况,并探究了不同位置阻尼层厚度对复合装甲吸能效果的影响。计算结果表明,随着复合装甲靶板斜置角度的增加,靶板吸收的能量逐渐增加。通过模拟不同速度的钨合金弹弹芯斜侵彻复合装甲的过程,发现在700 m/s~850 m/s速度范围内复合装甲展现出最佳的吸能效果,且在复合装甲中不同位置的阻尼层达到最佳吸能效果的厚度不同。本工作可为后续研究阻尼复合结构的抗中高速冲击性能提供参考。
倒角半径与加载速率对FRP弱约束方形混凝土柱的承载能力影响
马晨雨, 姬宇鹏, 刘大为, 刘昊源, 曹玉贵
2021, 0(7):  63-67.  DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210728.010
摘要 ( 3 )   PDF (3319KB) ( 2 )  
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为研究倒角半径和应变速率对纤维增强复合材料(FRP)弱约束混凝土方柱抗压强度的影响规律,对20个FRP弱约束混凝土方柱进行了不同加载速率的轴压试验,探讨混凝土柱倒角半径和应变速率对FRP约束混凝土力学性能的影响,并绘制了相应的应力-应变关系曲线。结果表明:随着试件倒角半径的增加,FRP弱约束混凝土的抗压强度呈现增大的趋势;随着应变速率的增大,FRP弱约束混凝土的抗压强度也呈现增大的趋势;并采用试验结果对现有的抗压强度模型进行评估,发现不同加载速率下FRP强约束混凝土圆柱的抗压强度模型可以用于预测不同加载速率下FRP弱约束混凝土方柱的抗压强度。
复合材料滑橇式起落架落震性能分析
吴玉根, 毛春见, 周忠斌, 钟茂平
2021, 0(7):  68-75.  DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210728.011
摘要 ( 2 )   PDF (3750KB) ( 0 )  
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针对复合材料滑橇式起落架,设计落震平台试验系统,并进行落震试验。基于ABAQUS/Explict分析模块,二次开发定义材料用户子程序VUMAT,引入损伤判据以及材料刚度折减方案,建立复合材料滑橇式起落架的渐进损伤分析方法,数值结果与试验结果吻合较好,验证了模型的有效性。结果表明:复合材料滑橇式起落架在落震过程中,机身与滑橇连接处和复合材料铺层变厚度区域应力应变偏高。在工况二下,复合材料滑橇式起落架在着陆之后,抱箍连接处会产生一定的基体损伤。
基于AE的碳纤维复合材料圆管轴向压缩性能研究
李倩倩, 张加顺, 脱晓庆, 高彦涛, 李炜
2021, 0(7):  76-83.  DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210728.012
摘要 ( 2 )   PDF (7525KB) ( 0 )  
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采用声发射技术对碳纤维复合材料圆管轴向压缩加载过程进行监测和记录,对压缩过程中的累积事件计数、能量、峰值频率和幅值等声发射特征参数进行了分析,结合压缩载荷曲线,研究了碳纤维复合材料圆管在轴向压缩载荷下的损伤过程和破坏模式。结果表明,声发射的典型特征参数可以与时间-载荷曲线的变化规律较好地对应,声发射信号的变化能反映不同破坏阶段的损伤形式以及不同种类试样的破坏特征,对于研究碳纤维复合材料圆管的轴向压缩性能具有参考价值。
装配工艺参数对复合材料构件弯曲性能的影响
葛恩德, 尚艳伟, 刘学术, 李汝鹏
2021, 0(7):  84-92.  DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210728.013
摘要 ( 2 )   PDF (5306KB) ( 1 )  
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为研究不同装配工艺参数对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)构件弯曲性能的影响规律,以碳纤维增强树脂基复合材料为实验对象,以DNS100电子万能试验机为实验平台,通过对比不同装配工艺参数对复合材料构件的极限承载性能、刚度、损伤发生时刻的影响,分析了装配钉距、间隙尺寸和间隙补偿材料等装配工艺参数改变对复合材料构件弯曲性能的影响规律。结果表明:在一定范围内,通过增大装配钉距可以有效提高构件的刚度;装配间隙对复合材料构件弯曲性能的影响与构件厚度密切相关;实验条件下液体垫片在提高构件刚度方面的效果强于玻璃纤维垫片。
环氧树脂交联结构对固化动力学的影响
张代军, 邢宇, 包建文, 钟翔屿, 刘巍
2021, 0(7):  93-98.  DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210728.014
摘要 ( 3 )   PDF (1583KB) ( 0 )  
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在环氧树脂E54中引入不同比例的三官能团间氨基苯酚环氧树脂S500M进行物理共混,采用DDS固化剂,制备不同交联结构的环氧树脂。利用非等温DSC法对环氧树脂固化过程进行分析,根据固化反应热绘制固化度与温度曲线,通过Kissinger和Crane方程计算树脂固化反应活化能和动力学参数。结果表明,随着树脂交联密度的提高,固化反应的开始温度、峰值温度、终止温度均发生前移,固化时间缩短,固化反应活化能降低,但频率因子和反应级数基本不变。
大型双曲蜂窝夹层结构短舱成型工艺研究
王莹, 肖光明, 贺韡
2021, 0(7):  99-104.  DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210728.015
摘要 ( 2 )   PDF (3140KB) ( 1 )  
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大型双曲蜂窝夹层结构是复合材料制件中一种较复杂的结构形式,它具有尺寸大、型面复杂等特点,但是其力学承载特性好、整体重量轻、抗变形能力强,应用较广。本文以大型双曲蜂窝夹层结构短舱制件为研究对象,详细论述了其结构特点以及加工工艺方法,重点解决了蜂窝芯易收缩、难固定,装配区要求高等技术难点,通过实验方案验证及实验数据分析,综合比对实验结论以及工程差异性,最终得到了一套行之有效的成型方法。
一种芳纶纤维复合材料抗鸟撞试验件研制
苏震宇, 邱启艳
2021, 0(7):  105-110.  DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210728.016
摘要 ( 2 )   PDF (8042KB) ( 0 )  
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介绍了采用国产新型芳纶织物预浸料044B/BA9918研制抗鸟撞试验件的研制过程,期间借助仿真分析手段大大缩短了整体研制周期,零件最终通过鸟体撞击考核。验证表明:采用044B/BA9918芳纶织物预浸料研制的抗鸟撞试验件抗冲击性能优良且试验件的型面精度、重量、厚度等指标满足设计要求。
综述
面芯增强泡沫夹芯结构复合材料工艺技术及力学性能
杜昀桐, 熊健, 张睿, 刘惠彬, 张超, 朱烨, 钟海罡, 王继辉, 李旭
2021, 0(7):  111-120.  DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210728.017
摘要 ( 2 )   PDF (9742KB) ( 1 )  
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结构轻量化是航空航天、车辆、船舶等领域发展的永恒主题,复合材料泡沫夹芯板是轻量化结构中的重要组成部分,一般由强度高、模量大的复合材料作为上下面板,由轻质多孔泡沫作为中间芯材。但是泡沫夹芯结构面芯脱胶失效成为制约其工程应用的主要原因。本文将对面芯增强泡沫夹芯结构复合材料的设计、制备和力学性能表征方面的最新研究成果进行总结,重点介绍缝合、簇绒和Z-pin等泡沫夹芯结构面芯增强手段以及对应的设计和制备工艺,重点从力学性能试验表征和面芯增强前后的性能对比等角度评述了面芯增强后的性能改进效果。
外贴FRP加固钢筋混凝土梁抗弯疲劳性能研究进展
张智梅, 杨铭
2021, 0(7):  121-128.  DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210728.018
摘要 ( 3 )   PDF (2292KB) ( 0 )  
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纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称“FRP”)因其轻质、高强、抗疲劳性能好等优点被广泛用于加固工程中。在疲劳荷载作用下,外贴FRP加固钢筋混凝土梁中的各材料性能以及FRP-混凝土界面粘结性能不断劣化,既有损伤不断累积,从而大大降低了加固梁的使用安全性。本文从试验研究、数值模拟以及理论分析三方面对外贴FRP加固钢筋混凝土梁的抗弯疲劳性能研究进行了详细总结,并对FRP-混凝土粘结界面和锈蚀钢筋混凝土加固梁的疲劳性能进行了介绍,分析了现有研究中存在的不足,并为今后的研究方向提出一些建议。